直流配電系統(tǒng)公共信息模型的研究與拓展

張侃，郝思鵬，宋辭

（南京工程學院電力工程學院，江蘇，南京，211167）

直流配電系統(tǒng)公共信息模型的研究與拓展

張侃，郝思鵬，宋辭

（南京工程學院電力工程學院，江蘇，南京，211167）

提高電能質(zhì)量，改善供電可靠性，降低輸配電過程中的電能損耗，實現(xiàn)分布式電源安全有效地接入電網(wǎng)，直流配電不失為一種很好地嘗試。對配電網(wǎng)更好地控制其基礎在于對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集，配網(wǎng)中包含多個不同系統(tǒng)的功能組件，而各組件間數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性，想要快速、便捷地獲取配網(wǎng)信息，統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型勢在必行。本文中針對直流配網(wǎng)自動化的優(yōu)勢與不足進行了闡述，對配網(wǎng)模型拼接和實時數(shù)據(jù)交互進行研究。結(jié)果表明，利用CIM和CIS解決異構(gòu)數(shù)據(jù)的交互，構(gòu)建標準、開放的直流配電網(wǎng)相較現(xiàn)有的交流電網(wǎng)有明顯優(yōu)勢，當為今后配網(wǎng)發(fā)展的有利方向。

直流配電網(wǎng)；統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型；配電自動化；CIM；CIS

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟增長與社會發(fā)展，大眾用電需求與日俱增，這使得工程上對電力系統(tǒng)的要求越來越高，傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代城市發(fā)展建設迅速，一方面導致配電網(wǎng)供電范圍越來越大；另外，城市負荷中心的支撐能力會日漸不足，容易導致交流系統(tǒng)的電壓崩壞等安全問題。直流負載和含有直流分量的負載增長快速，如果使用交流配電網(wǎng)對這些負荷供電，需要經(jīng)過一級AC/DC變換，降低了效率，增加了能源損耗，失去了經(jīng)濟性。

如今客戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，但是在普通交流配電系統(tǒng)中，架空線路故障率偏高，而電纜配電系統(tǒng)由于存在較大電容充電電流，其供電半徑有限，所以傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)絡支撐的供電系統(tǒng)已經(jīng)越來越滿足不了用戶的需求。如今城市負荷中大量的電氣化交通工具及電子設備、電力電子設備使得沖擊性負荷極速增長，致使交流配電系統(tǒng)存在大量諧波污染源，對電能質(zhì)量造成較大影響，與用戶要求的高質(zhì)量電能存在矛盾。

最重要的是，電網(wǎng)智能化趨勢已經(jīng)越來越必然，智能電網(wǎng)對電網(wǎng)的可控性提出了更高的要求。傳統(tǒng)交流電網(wǎng)的可控性較低。根據(jù)我國國情，電網(wǎng)調(diào)度被分為五級調(diào)度體系，分別是國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、地調(diào)和縣調(diào)。各級調(diào)度系統(tǒng)的電網(wǎng)模型和信息采集相對獨立，容易形成信息孤島。國際電工技術(shù)委員會（IEC）制訂了EMS應用，為應用系統(tǒng)提供了一個基于公共信息模型、公共體系結(jié)構(gòu)和組件技術(shù)的系統(tǒng)集成框架，通過定義標準應用程序接口，使得這些應用或系統(tǒng)能夠無阻礙地交換信息，為直流配電網(wǎng)絡的信息采集與控制提供了工具與保障。

1 直流配電技術(shù)優(yōu)勢

直流配電是指配電網(wǎng)采用直流電輸送電能，與交流配電相比，直流配電具有如下幾個明顯優(yōu)勢：

1.1 更可靠

直流配電只需要兩根導線，線路的可靠性比相同電壓等級的交流線路要高［1］。當直流線路發(fā)生一級故障時，另一級回路可以與大地構(gòu)成回路繼續(xù)供電，且基本不影響供電功率。眾所周知，占線路故障80%～90%的是單相接地瞬時故障，而直流線路相比于交流線路具有響應快，回復時間短、可通過多次再啟動或降壓運行來創(chuàng)造消除故障、恢復正常運行條件等優(yōu)點［2］。

1.2 更高效

在直流輸配電系統(tǒng)中，不存在傳遞無功功率引起的網(wǎng)絡損耗，同樣也沒有交流電特有的集膚效應損耗，所以直流配電網(wǎng)絡擁有遠小于交流網(wǎng)絡的線路損耗。其損耗主要集中于電力電子變換器部分。由于直流變壓需要經(jīng)過DC/AC/DC過程，所以存在一定的功率損耗。但是現(xiàn)在實驗室里已經(jīng)出現(xiàn)效率高達99%的直流變換器［9］，相信今后定能夠大規(guī)模投入工程使用中。

另一方面，上文中提到，直流或含有直流分量的負載日益增多，比如電子產(chǎn)品、直流電動機、電動汽車等。直接為這些負荷提供直流電源而省去整流過程將是效率得到進一步提升。

1.3 更簡潔

交流系統(tǒng)運行時為了保證電能質(zhì)量，必須控制電壓幅值、頻率和相位，而直流系統(tǒng)只需要控制電壓幅值，不必涉及頻率穩(wěn)定和無功功率等問題，管理更加簡潔。另外，無論從可靠性或者是美觀性來看，地下電纜式的配電線路已經(jīng)是不可避免的趨勢。而交流電電纜傳輸會產(chǎn)生較大充電電容，既增加了線路損耗，也降低了線路輸電容量，但是采用交流配電后，則可以完全避免上述問題。

2 直流配電技術(shù)的問題與挑戰(zhàn)

2.1 直流配電網(wǎng)絡的設計

由于線路中流通的是直流電，這與傳統(tǒng)對稱三相交流電有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，設計出全新的配電系統(tǒng)網(wǎng)絡是最基本的任務，同時也是難度最大的任務。這是一個全局性的課題，必須從整個配電系統(tǒng)層面考慮，如對分布式電源的接納能力，電能配送問題，建設及運行成本等。

從配電網(wǎng)層次來看，交、直流都是一種多級配電網(wǎng)互相配合的網(wǎng)絡。直流配電網(wǎng)同樣擁有高壓直流配電網(wǎng)，中壓直流配電網(wǎng)、低壓與超低壓直流配電網(wǎng)等。各級配電網(wǎng)絡職責各不相同，共同為客戶輸送著電能。在實際情況中，電網(wǎng)的布局、結(jié)構(gòu)，形狀等，都需要從整個系統(tǒng)的層面考慮，根據(jù)直流配電的供電可靠性、成本及控制復雜程度，結(jié)合具體應用情況與投資能力進行取舍。

2.2 直流配電系統(tǒng)電壓等級的選取

如上一條所述，直流配電網(wǎng)絡存在多個電壓等級。對于這一重要參數(shù)的選取，我們主要考慮這三個方面［4］：①直流配電網(wǎng)絡的供電距離（供電半徑）；②電氣絕緣和保護；③系統(tǒng)成本和設計難度。

目前已有的學術(shù)文章中多是研究系統(tǒng)末端的低壓與超低壓直流配電的電壓等級問題。本文觀點為：以400V作為城市中心供電系統(tǒng)的電壓等級，家庭直流配電系統(tǒng)設計兩個電壓等級：380V的高壓等級，為家庭供熱系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、廚房以及其他大型家用電器供電；48V的低壓等級，用于小型家電和照明電路。這樣一來，現(xiàn)在的所有終端用電設備將被淘汰，取而代之的是各種直流電設備。雖然任重而道遠，但可以預見的是將會徹底省去家電中AC/DC的變換過程，長遠來看經(jīng)濟效益可以保證。

2.3 電能變換技術(shù)

在直流配電中，大家最關(guān)心的是電壓等級的變換。就像變壓器在交流配電系統(tǒng)中不可或缺一樣，直流系統(tǒng)同樣需要電壓等級的變換裝置，用于實現(xiàn)直流配電網(wǎng)與負載和上級電網(wǎng)的接口，并用于直流配電網(wǎng)內(nèi)部的電壓等級轉(zhuǎn)換。由于直流電特點不能使用傳統(tǒng)電磁感應變壓器，我們通過直流型電力電子變壓器、交直流混合型電力電子變壓器或通用的電力電子變換器實現(xiàn)，這些可以通稱為直流變壓器。

經(jīng)已有文獻表明，直流變壓器應具有成本低、功率密度高、可靠性高、效率高、靈活調(diào)控能力強，以及動態(tài)響應快等特點。這些要求無疑為直流變壓器的研發(fā)與制造突出了更高的要求。

3 對配網(wǎng)信息采集的必要性

目前，我國的交流配電網(wǎng)絡已建成五級調(diào)度體系，分別為國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、地調(diào)和縣調(diào)。在各級調(diào)度系統(tǒng)中，一般只建立本級調(diào)度管轄地域內(nèi)詳細的配電系統(tǒng)網(wǎng)絡模型，而一級配電網(wǎng)中又存在多個應用系統(tǒng)，如：配網(wǎng)自動化系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）、營銷系統(tǒng)、95598系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)控、停電管理系統(tǒng)等，各應用系統(tǒng)相互獨立。隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，信息量越來越多，這種分級方式使得各級系統(tǒng)的電力信息相對獨立，容易形成信息孤島。而直流配電網(wǎng)絡同樣存在分級制度，為了避免各級網(wǎng)絡間信息交流不暢，急需統(tǒng)一電力信息模型。

綜上所述，為了避免各級配電網(wǎng)絡之間和各應用系統(tǒng)之間的信息交互困難，我們需要一種統(tǒng)一的信息模型來處理數(shù)據(jù)。

4 基于CIM的配電網(wǎng)絡模型［5］

CIM采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)。使用統(tǒng)一建模語言（UML）表示法，它把CIM模型定義為一組包。每一個包含有一個或多個類圖，表示該包中的所有類和它們的關(guān)系，用來簡化應用系統(tǒng)間的互操作。CIM使用高度精細化的格式，與電力系統(tǒng)每一處應用兼容。標準格式中包括了電力系統(tǒng)需要的基本數(shù)據(jù)，同時也允許在不影響標準數(shù)據(jù)格式的前提下存入其它自定義數(shù)據(jù)。

CIM 采用類形式來描述各電力系統(tǒng)對象，通過類之間關(guān)系描述電力系統(tǒng)各對象之間的關(guān)系，包括繼承、關(guān)聯(lián)、聚集等。

1）配電容器模型

配電網(wǎng)絡主要包括配電線路、配電變壓器、開關(guān)、負荷等元件。這些元件構(gòu)成了一個容器。其基本架構(gòu)如圖1所示。基類不會建立實體對象，實際上是將其屬性和關(guān)聯(lián)擴充到派生類，將派生類的屬性和關(guān)聯(lián)、派生類從基類繼承的屬性和關(guān)聯(lián)都存儲在派生類中，并建立相應的實體對象。

2）配電設備模型

圖1 配電設備容器模型Fig.1 The power distribution equipment container model

配電設備主要包含配電變壓器、配電線路以及開關(guān)等設備。以配電線路為例［6］，其模型如圖2所示。所有設備類均從設備基類（Equipment） 繼承。與設備包容器類類似，設備類的底層建立對象，類中設置各自的屬性。由于低壓配電線路存在參數(shù)不對稱，設置了對應的單相單位長度阻抗子類。

圖2 配電線路模型Fig.2 Distribution circuit model

3）配電拓撲模型

配電設備的連接關(guān)系通過端點（Terminal）和節(jié)點（ConnectivityNode）的關(guān)系進行描述。拓撲分析具有2個基本模型，即Switch/ Node模型和Bus/ Branch 模型。Switch/Node 模型是基于ConnectivityNode的開關(guān)/節(jié)點模型。Bus/ Branch 模型是基于拓撲節(jié)點類（TopologicalNode）的節(jié)點/支路模型，如圖3所示。

圖3 配電拓撲模型Fig.3 Distribution topology model

5 配電網(wǎng)絡模型拼接和數(shù)據(jù)交互

配電自動化主站系統(tǒng)對電網(wǎng)進行監(jiān)控需要獲取電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。涉及和上級電網(wǎng)以及末端電網(wǎng)的連接關(guān)系以及數(shù)據(jù)交互。由于不同類型系統(tǒng)的開發(fā)商不同，模型和數(shù)據(jù)交互缺乏統(tǒng)一格式。近年來，隨著符合IEC61970/ IEC61968標準的IEB的建設，通過CIM和CIS進行不同系統(tǒng)之間的信息交互不斷成熟。

5.1 模型拼接

配電網(wǎng)絡模型主要包括上級主網(wǎng)及變電站模型、配電網(wǎng)饋線模型和用戶側(cè)模型。主網(wǎng)和變電站模型通過地調(diào)EMS系統(tǒng)獲取；配電網(wǎng)饋線模型通過用電管理系統(tǒng)（PMS）獲取；用戶側(cè)模型通過用電信息采集系統(tǒng)獲取。構(gòu)建統(tǒng)一的配電網(wǎng)絡模型需要拼接不同系統(tǒng)間的模型數(shù)據(jù)。

配電網(wǎng)和變電站的拼接需要從EMS中導入變電站的CIM模型，從PMS中導入配電網(wǎng)CIM模型。模型的連接點通常為變電站的出線開關(guān)，清理EMS出線開關(guān)處的其它模型和PMS中出線開關(guān)以上的模型。進行開關(guān)匹配，合并網(wǎng)絡模型。同時根據(jù)PMS中配電網(wǎng)信息變化，實現(xiàn)動態(tài)更新［7-8］。

配電網(wǎng)和用戶側(cè)的拼接主要實現(xiàn)配變終端和配電臺區(qū)低壓出線對接以及用戶和配電變壓器關(guān)聯(lián)。目前配電臺區(qū)具有綜合采集功能的智能監(jiān)控終端安裝較少，多數(shù)采用負荷模型等值表示。

5.2 數(shù)據(jù)交互

配電自動化實時數(shù)據(jù)監(jiān)測也通過不同系統(tǒng)獲?。?0］。主網(wǎng)和變電站的實時數(shù)據(jù)一般由地調(diào)定時通過符合IEC61970/61968信息交互總線（IEB）發(fā)送到主站，配電自動化主站通過EMS實現(xiàn)對變電站的遙控；配電自動化終端采集的信息包括饋線終端（FTU）、配變配電終端（TTU）、開閉所配電終端（DTU）直接發(fā)送到配電自動化主站，并接受主站的遙控信息；用戶側(cè)實時數(shù)據(jù)通過IEB由用電信息采集系統(tǒng)定時發(fā)送到主站，部分具有遙控功能的配電臺區(qū)和負控終端接受主站的遙控信息，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)的實時監(jiān)控。

6 工程應用

6.1 直流配電網(wǎng)絡建模

城市配電主站通過PMS系統(tǒng)獲得城市400v配網(wǎng)圖模數(shù)據(jù)，并同時把配電調(diào)度圖形系統(tǒng)中的電網(wǎng)模型和圖形，按照IEC 61968的消息格式，通過配置在通信接口服務器上的適配器發(fā)送到信息交互總線，配電自動化主站通過總線獲取圖模數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)模型和圖形的更新。

直流變電站模型由調(diào)度EMS系統(tǒng)的主站維護工作人員在EMS上通過畫圖軟件和數(shù)據(jù)庫維護工具建立電網(wǎng)模型，之后通過與調(diào)度EMS系統(tǒng)的接口轉(zhuǎn)換到配電調(diào)控一體化系統(tǒng)中。

配電自動化主站系統(tǒng)通過配電調(diào)度圖形系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換流程獲取400V配網(wǎng)圖模數(shù)據(jù)，通過上級EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換流程獲取了主網(wǎng)圖模數(shù)據(jù)，然后在圖模庫一體化平臺上實現(xiàn)饋線模型與站內(nèi)模型拼接［5］，從而在配電調(diào)配一體化系統(tǒng)中得到110kV到10kV完整的配電網(wǎng)絡模型，為配網(wǎng)調(diào)度的指揮管理準備完整的電網(wǎng)模型及拓撲資料。

配電網(wǎng)絡拓撲分析是配網(wǎng)所有分析應用的基礎。配電網(wǎng)絡拓撲分析作用在于構(gòu)建動態(tài)的配電網(wǎng)絡模型，模型的作用在于體現(xiàn)了設備間的連接關(guān)系、連通關(guān)系、配電網(wǎng)絡的實時狀態(tài)，這種分析適用于任何形式的配電網(wǎng)絡接線方式。根據(jù)模型，可以進行帶電區(qū)域劃分和動態(tài)著色，分析確定配電區(qū)域的供電源點和各點供電路徑。模型結(jié)構(gòu)隨著配電接線圖的設備變更而變化，狀態(tài)隨著配電實時信息的刷新而相應變動。

6.2 實時數(shù)據(jù)交互

配電自動化實時數(shù)據(jù)包括配網(wǎng)實時數(shù)據(jù)以及變電站實時數(shù)據(jù)兩部分。

城區(qū)配電網(wǎng)和農(nóng)村集鎮(zhèn)配電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)由配電終端采集并通過光纖專網(wǎng)送入配電自動化主站，農(nóng)村邊遠地區(qū)由于架設專用光纖通信成本較高，采用LTE230無線專網(wǎng)采集并送到配電自動化主站，主站的各種控制命令也是通過通信直接下發(fā)到配電終端。變電站實時數(shù)據(jù)由地調(diào)EMS系統(tǒng)每隔5分鐘發(fā)送到配電主站，主站通過接口與調(diào)度自動化系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對變電站出線開關(guān)的控制操作。用戶側(cè)的公變、專變等設備量測通過GPRS公網(wǎng)通信送至用電信息采集系統(tǒng)，配電自動化主站通過信息交換總線從SG186系統(tǒng)中的用電信息采集系統(tǒng)獲取。所有實時數(shù)據(jù)交互通過CIS與CIM/XML模型對接。

7 結(jié)論

直流配電系統(tǒng)是一個以直流為主導的電能配送系統(tǒng)。在其配合以CIM、CIS系統(tǒng)之后，具有解決現(xiàn)有交流配電網(wǎng)所面臨問題的潛力?，F(xiàn)在需要做的是加快直流系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、電壓等級的選取，研究低損耗、大容量的直流變壓、直流開關(guān)、直流保護設備。同時，本文提出了建立統(tǒng)一配電網(wǎng)信息模型的設想，在統(tǒng)一配電網(wǎng)信息模型的基礎上建立數(shù)據(jù)匯聚平臺，為直流配電的智能化提供了一種可行的發(fā)展方向。

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Dc Power Distribution System Research and Development of Public Information Model

ZHANG Kan， HAO Si-peng， SONG Ci
（Nanjing Institute of Technology of Electric Power Engineering）

In order to improve the quality of electric energy and the power supply reliability， reduce the power loss in the process of transmission and distribution and make the distributed power supply connected to the electricity grid safely and effectively， dc power distribution is a good attempt.For the better control of the distribution， network is the basis for grid data collection.The function of the distribution network contains a number of different system components， and the interrelationship between data has heterogeneity.If getting distribution network information quickly and conveniently， it is imperative to a unified data model.This article is in view of the advantages and disadvantages of dc distribution network automation， the distribution network model and real-time data interaction.The result shows that making use of CIM and CIS to solve the interaction of heterogeneous data， build standards and open the dc power distribution network is not bad， and it is the favorable development direction of distribution network in the future.

DC power distribution network； Uniform data mode； Distribution automation； CIM； CIS

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.008

ZHANG Kan， HAO Si-peng， SONG Ci. Dc Power Distribution System Research and Development of Public Information Model［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 46-52.

張侃，郝思鵬，宋辭. 直流配電系統(tǒng)公共信息模型的研究與拓展［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（9）：46-52.

江蘇省大學生科技創(chuàng)新省級指導項目《配電網(wǎng)公共信息模型的研究與拓展》

張侃，男，（1996-），江蘇鹽城人，南京工程學院電力工程學院本科生。郝思鵬，男，（1974-）江蘇南京人，博士，副教授，南京工程學院電力工程學院院長，主要從事電力系統(tǒng)低頻振蕩問題研究，重點研究系統(tǒng)振蕩的非平穩(wěn)特性；2009年9月-2010年1月英國諾森比亞大學訪問學者；2010年5月進入河海大學博士后流動站；獲得江蘇省“青藍工程”青年骨干教師稱號；南京工程學院“中青年學術(shù)骨干”稱號。宋辭，男，（1995-），江蘇鹽城人，南京工程學院電力工程學院本科生